- 提高LED顯示屏顯示效果的相關技術分析
- 對LED顯示屏技術指標的提升
- 提高顯示屏均勻度技術
- 利用LED顯示屏專用圖像處理器
一、引言
近年來，全彩色LED顯示屏在體育場館、道路交通、廣告宣傳、租賃等方面的應用出現(xiàn)快速增長的趨勢。據(jù)美國Standford Resources對LED顯示屏產(chǎn)品國際市場概況的預測，當前和未來市場上對LED顯示屏產(chǎn)品的采用將會以全彩高畫質(zhì)為主，因此需要在LED大屏幕顯示控制技術和新產(chǎn)品設計方面隨時把握市場趨勢，攻克高端產(chǎn)品的相應技術難關并完成高端新產(chǎn)品的研制。
本文結合國內(nèi)外LED顯示屏技術，重點闡述影響LED顯示屏顯示效果的相關指標及關鍵技術的發(fā)展趨勢。
二、LED顯示屏技術指標的提升
全彩色LED顯示屏的灰度等級、對比度、刷新頻率等技術指標的高低直接影響全彩色LED顯示屏的顯示效果。
1、灰度等級
灰度等級是指LED顯示屏單基色亮度中從最暗到最亮之間能區(qū)別的亮度級數(shù)，LED顯示屏的灰度等級越高，顏色越豐富，色彩越艷麗；反之，顯示顏色單一，變化簡單。灰度等級的提高，能大大提升色彩深度，使得圖像色彩的顯示層次呈幾何數(shù)量增加。Daktronics公司的LED灰度控制等級為14bit~16bit，使得高端顯示產(chǎn)品的圖像層次分辨細節(jié)和顯示效果均達到了世界先進水平。隨著硬件技術的發(fā)展，LED灰度等級還會不斷的向更高的控制精度發(fā)展。
2、對比度的提高
對比度是影響視覺效果的關鍵因素之一，一般來說對比度越高，圖像越清晰醒目，色彩越鮮明艷麗。高對比度對于圖像的清晰度、細節(jié)表現(xiàn)、灰度層次表現(xiàn)都有很大幫助。在一些黑白反差較大的文本、視頻顯示中，高對比度LED顯示屏在黑白反差、清晰度、完整性等方面都具有優(yōu)勢。對比度對于動態(tài)視頻顯示效果影響要更大一些，由于動態(tài)圖像中明暗轉(zhuǎn)換比較快，對比度越高，人的眼睛越容易分辨出這樣的轉(zhuǎn)換過程。
提高顯示屏對比度兩種主要方法：
(1) 提高LED顯示屏亮度
LED顯示屏亮度在某些場合，并不是越高越好。比如室內(nèi)顯示屏，如果亮度過高，形成光污染，對觀察者的視力造成傷害。
(2) 降低LED顯示表面反射率
主要是在LED面板及LED發(fā)光管進行特殊工藝處理，降低LED面板反射率，從而提高LED顯示屏對比度。
Barco公司推出NX系列點間距為4mm的LED全彩色高端顯示屏，從原始工藝的950:1提升至4000:1，使產(chǎn)品在對比度這個關鍵指標上有了很大的提升。
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如圖1所示，（a）左側(cè)為傳統(tǒng)工藝的LED發(fā)光管。一般為黑色面碗LED發(fā)光管，管芯為白色。（a）右側(cè)為Barco公司采用新技術，使用黑色管芯，有效提高了對比度指標。（b）圖為采用新工藝的P4間距SMD顯示屏模組。
圖1
刷新頻率是LED顯示屏顯示內(nèi)容每秒被重復顯示的次數(shù)。全彩顯示屏刷新頻率低，圖像會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，特別是在視頻影像設備拍攝時，閃爍現(xiàn)象明顯。因此，需要盡可能提高LED顯示屏的刷新頻率。
Daktronics公司ProTour® （PT）模塊LED顯示屏的刷新頻率為2,400Hz，Barco公司NX-4系列顯示屏的刷新頻率已達到3,200Hz。
所以，提高刷新頻率是技術發(fā)展趨勢。
三、提高顯示屏均勻度技術
LED顯示屏是由幾百萬上千萬LED像素點組成，由于發(fā)光器件本身的離散性，致使顯示屏產(chǎn)生亮色度不均勻的現(xiàn)象，嚴重影響顯示屏的顯示效果。因此，許多顯示屏廠商采用不同的方法提高均勻性。
1、LED發(fā)光管篩選法
為了克服LED發(fā)光管的離散性，早期采用篩選辦法，使LED發(fā)光管的亮度差和色差控制在人眼可以容忍的范圍內(nèi)，該方法造成LED顯示屏的器件成本成倍增長，顯示效果并不理想。
2、一致化校正技術
通過精確控制像素的三基色發(fā)光二極管的方法，控制像素的亮度和三基色的配色關系，使得顯示屏的所有像素亮度和色度保持一致。該技術可以徹底解決LED顯示屏亮度、色度不均勻的現(xiàn)象，使顯示屏的顯示效果有質(zhì)的飛躍。
3、LED顯示屏后期均勻性校正方法
均勻性校正概括為：出廠校正、維修校正、服務區(qū)校正及現(xiàn)場校正。從目前市場需求分析看，現(xiàn)場校正的必要性越來越突出。
一般來說，當LED顯示屏運行到一定時間，所有的LED發(fā)光管都會出現(xiàn)亮度衰減，而且三基色管的衰減曲線不一致。因此，它們的亮度也會較出廠前的亮度有所降低。然而，每個LED發(fā)光管光電特性的差異，使它們亮度的下降程度產(chǎn)生偏差。于是，當顯示屏使用一段時間后，發(fā)光管會出現(xiàn)不同程度的亮度衰減，使得像素之間顯示不均勻，從而與最初出廠時的屏幕相比，整個圖像會呈現(xiàn)一種粒狀顯示狀態(tài)，或整體亮度下降。三基色管衰減曲線不一致使白平衡、色溫等發(fā)生改變。
實際上由于LED發(fā)光管的衰減以及環(huán)境溫度等其它因素的變化，出廠時非常優(yōu)秀的顯示屏性能變差的現(xiàn)象幾乎是不可避免的。將已安裝好的LED顯示屏再拆卸運回工廠進行校正，在工程上是不可實現(xiàn)的。鑒于這些特點，顯示屏制造商必須進行基于現(xiàn)場的校正，以保證在顯示屏的整個生命周期中，始終保持出廠時的顯示效果。幾種現(xiàn)場校正方法：
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(1) 根據(jù)LED運行時間的校正方法
這是一種早期現(xiàn)場校正方法，它是根據(jù)跟蹤和記錄每一個LED模塊的運行時間來對顯示屏進行現(xiàn)場校準。通過大致計算每個LED的工作時間，測定它們各自的平均亮度衰減，估算出不同的校正水平，然后發(fā)送至各個LED模塊進行相應的調(diào)整。這種方法不需要任何人工輸入。然而，這種方法忽略了一種很重要的問題，通過運行時間估算出的LED衰減頻率并不適合于各個LED。隨著運行時間的增加，LED衰減頻率的幅度范圍也越來越大，在平均基礎上進行的校正使一部分LED接近校正水平，然而卻使另一部分LED更加偏離。由于各個模塊之間的亮度水平不一樣，同時又沒有有效的方法去調(diào)整這些亮度不匹配的模塊，因而，在運行時間不同的模塊之間進行均勻度的調(diào)整時，會產(chǎn)生一系列的問題，并且最為關鍵的是，這種方法不能實現(xiàn)像素之間的校準。所以，經(jīng)過這種校正以后，顯示屏給人的整體感覺呈現(xiàn)出馬賽克現(xiàn)象，不能很好的改善后期顯示屏均勻性問題。
圖2 SMD三基色隨工作時間亮度變化曲線
為了徹底改善顯示顯示屏均勻性的問題，需利用專用采集設備在現(xiàn)場對LED顯示屏的每個像素點的光色信息進行快速準確的采集，通過相關算法對每個LED發(fā)光管的實際衰減程度進行補償，從而實現(xiàn)真正意義上的一致化校正，即使對于運行不同時間的LED模塊也能實現(xiàn)像素級別的校準。經(jīng)過校正，使顯示屏恢復至剛出廠時的均勻顯示效果。
圖3 戶外顯示屏現(xiàn)場校正前后比較
現(xiàn)場環(huán)境與工廠環(huán)境有很大的差別，要快速、準確的將LED顯示屏上百萬個LED發(fā)光管的光色信息采集、校正以及以后的LED顯示屏的維修，還有很多技術難題需要解決。
四、LED顯示屏專用圖像處理器
隨著LED顯示屏廣泛應用在各種場合，以往單一的PC機控制LED顯示屏顯示已滿足不了用戶的需求。Daktronics公司、Lighthouse公司都已推出LED顯示屏專用圖像處理器，用以提高LED顯示屏的提高顯示效果。LED顯示屏專用圖像處理器主要包括以下幾個功能：
1、視頻信號轉(zhuǎn)換功能
支持VGA、SVGA、XGA格式的數(shù)字信號或模擬信號轉(zhuǎn)換成LED顯示屏專用視頻格式的信號。Daktronics公司DV-Link圖像處理器的圖像效果增強功能，能夠?qū)AL信號轉(zhuǎn)化為每秒50幅圖像畫面的圖像信號，而NTSC信號轉(zhuǎn)化的圖像信號達到每秒60幅畫面。經(jīng)過提高的畫面播放速度使屏幕上顯示的快速運動變得連貫。
2、色空間轉(zhuǎn)換功能
由于LED顯示屏的色空間比現(xiàn)行的電視信號的色空間要大得多，因此，如果在顯示屏中直接用電視視頻的RGB三基色信號去控制LED三基色的發(fā)光，將產(chǎn)生色偏差，使得LED顯示出來的圖像與原圖像的顏色有明顯的失真，嚴重影響顯示效果。圖像處理器將NTSC和PAL色彩值轉(zhuǎn)換為LED色彩值，從而保證了視頻信號的完美重現(xiàn)。
3、可調(diào)的GAMMA校正功能
伽瑪校正可以改善圖像暗區(qū)和亮區(qū)，消除模糊或過渡反差。伽瑪校正實現(xiàn)了對圖像明暗度的調(diào)整，能夠增強圖像的暗區(qū)和亮區(qū)在LED顯示屏上的效果。
4、圖像處理技術
針對不同的場合，采用不同的圖像處理技術對顯示屏所要顯示的圖像進行預處理，用以提高顯示屏的顯示效果。例如：由于快速運動所引起的圖像不連貫的問題，可采用運動圖像處理技術，保證了顯示屏平滑運動和最佳圖像；對角線補償技術檢查視頻圖像的對角線模式，使圖像的邊沿變得平滑。圖像銳化技術突出了圖像的邊沿，從而使顯示效果更加清晰流暢。
五、結論
綜上所述，提升LED顯示屏的顯示效果，不能單純的由顯示屏的幾個技術指標的高低來決定，還需要有其它一些關鍵性技術做支撐。在高端產(chǎn)品技術上，國內(nèi)企業(yè)與國際上一些知名LED顯示屏生產(chǎn)商還有很大差距。國內(nèi)企業(yè)需要加大在關鍵技術上的研發(fā)投入，打破國外關鍵技術的壟斷，進入高端LED顯示屏市場，獲得更大的利潤空間。
